A l’origine de la divergence : les barrières conduisant à l’isolement reproducteur pré- et post-zygotique chez Spodoptera frugiperda – ORIGINS

Génomique des populations (obj 1) :
Nous avons développé une nouvelle approche de génomique des populations pour surmonter les limitations des méthodes classiques, qui sont basées sur la cartographie des lectures courtes Illumina sur un génome de référence. Habituellement, les chercheurs écartent tous les mappings ambigus pour minimiser les faux positifs en appliquant le filtrage selon les scores d'appel de variants, qui est intrinsèquement limité par les scores de mapping. Ce filtrage exclut une proportion significative de séquences génomiques pour l'inférence. Comme les gènes soumis à une sélection positive sont les plus susceptibles de diverger, la cartographie par rapport aux séquences ciblées sélectivement peut être plus difficile et susceptible d'être exclue. Cette nouvelle méthode implique, pour chaque échantillon, de générer un assemblage de génome en phase, de diviser les assemblages selon les blocs en phase, puis de mapper ces blocs sur l'assemblage disponible à de qualité chromosomique et enfin d'effectuer un appel de variants en utilisant GATK sans filtrage. Les loci sélectionnés positivement seront alors identifiés.
Test et déterminisme génétique du choix de la ponte (obj 3)
Pour tester l'hypothèse selon laquelle les choix différentiels de ponte des femelles sont à l'origine de la distribution spécifique des souches sur les plantes hôtes, nous avons mené l'expérience suivante au Everglades Research and Education Center (Université de Floride) à Belle Glade, Floride (Figure 7) :
1. Des familles backcross F2 sont générées comme suit : des femelles de souche maïs sont accouplées à des mâles de souche riz, ce qui donne des hybrides CR (car ces hybrides sont plus enclins à s'accoupler en tant que femelles adultes). Les hybrides CR sont rétrocroisés à la fois avec la souche maïs et la souche riz, de sorte que la moitié des femelles rétrocroisées résultantes ont hérité de leur chromosome Z d'un père de souche maïs et l'autre moitié d'un père de souche riz (pour permettre de traiter les différences causées par le chromosome Z).
2. A partir des accouplements hybrides, les parents et une partie de la descendance hybride sont congelés pour une analyse génétique ultérieure (trio binning). Ceux-ci serviront de génomes de référence présentant une grande similarité avec les échantillons.
3. Des accouplements de masse de femelles F2 backcross avec des mâles des deux souches seront mis en place pendant 2 nuits consécutives.
4. Libération des femelles in natura dans de grandes cages chevauchant des parcelles d'herbe et de maïs après avoir marqué les souches avec différents colorants fluorescents. Observation nocturne du site de ponte. Collecte des femelles ayant pondu sur le maïs ou sur herbes séparément. Trio binning pour générer des assemblages de génomes à partir des deux souches parentales et des hybrides et GWAS pour détecter les variants génétiques associés au choix de la plante.

Concernant l'objectif 1, nous avons pu collecter des FAWs sur deux champs de maïs mais pas sur herbes, et extrait l'ADN HMW pour le séquençage PACBIO HIFI de 36 échantillons. Un pipeline bioinformatique pour générer un assemblage de génome à partir de longues lectures a été mis en place et validé par la génération d’un assemblage de qualité chromosomique de notre colonie de laboratoire. L'évaluation de méthodes de détection des variants génétiques à l'aide de données génomiques simulées a été réalisée et publiée (Lefouili et Nam 2022). La détection de signatures de sélection à partir d'assemblages de génomes individuels basés sur des lectures longues dans le groupe d'échantillons collectés sur le maïs en Floride est en cours. Les signatures de sélection à partir de la cartographie des lectures courtes sur le génome de référence dans les échantillons de FAW collectés sur le maïs et sur herbes (données préliminaires au projet) ont été analysées et décrites dans (Fiteni E. et al.,BMC Evol. Biol, en révision) et mettent en évidence 3 loci génomiques sous sélection.
Concernant l'objectif 2. Une mission de terrain a été organisée pour collecter des FAW sur des champs de maïs et des rizières dans différents lieux géographiques du Sénégal (Col. Thierry Brevault, CIRAD). L'échantillonnage a été efficace dans les champs de maïs mais les FAW n'ont pas été trouvés dans les champs de riz (le fait que dans la zone invasive les FAW n'attaquent pas le riz a été confirmé par d'autres contrairement à la région native). Le reséquençage du génome entier par Illumina et l'appel de variants est terminé. Les loci soumis à balayages sélectifs sont en cours d’identification. En l'absence de FAW sur le riz, une «expérience de jardin commun« visant à tester l'évolution adaptative des populations invasives par rapport aux populations natives sur 4 variétés de maïs a été commencée.
-En ce qui concerne l'objectif 3, avant la mission de terrain en Floride, des familles F2 backcross ont été générées à partir des deux colonies de laboratoire en Allemagne et envoyées vivantes avec des souches parentales à l'Université de Floride, où des parcelles adjacentes de maïs et de bermudagrass avaient été plantées par des collaborateurs américains. Le comportement de ponte des femelles des deux souches de laboratoire a été observé la nuit dans de grandes cages chevauchant les deux plantes. Le comportement de ponte s'étant avéré peu concluant, le timing d'accouplement a été mesuré et les observations in natura contrastent avec le comportement d'accouplement observé dans la même colonie de laboratoire avant et après la mission de terrain dans des conditions de laboratoire.
Pour le triobining, une chrysalide mâle hybride et ses parents ont été séquencés et assemblés comme prévu. L'analyse est en cours.
Concernant l'objectif 4. La plupart des expériences seront menées dans des conditions de laboratoire, car les observations sur le terrain se sont avérées peu concluantes (voir objectif 3).

Prospect
Obj1
Une deuxième mission de terrain a été effectuée en Aout 2022 pour collecter des FAW sur herbes afin de permettre la détection de signatures de sélection à haute résolution en utilisant l'assemblage des génomes individuels basé sur les longues lectures et les variants génétiques en phase dans les groupes de FAW des deux plantes, le maïs et l’herbe. Cette mission a eu lieu au moment où j'écris ce rapport de 18 mois et a été un succès puisque 139 larves ont pu être collectées sur des graminées. Nous prévoyons de comparer l'effet des Knock-outs avec CRISPR/Cas9 (MPI-CE) aux Knock-downs avec RNAi (DIGIMI) d'un seul gène candidat avec un phénotype viualisable. Cela nous permettra d'évaluer la possibilité d'utiliser l'ARN interférence pour certains gènes candidats pour des résultats plus rapides que CRISPR/Cas9 et d'intensifier la collaboration entre les partenaires.
Obj 2
La deuxième partie de l'expérience de jardin commun avec la population native est actuellement réalisée dans le laboratoire de la DGIMI avec les mêmes variétés de maïs sur des plantes entières et dans des conditions similaires.
Obj 3
Des observations supplémentaires en laboratoire imitant les conditions de terrain seront réalisées au MPI-CE ainsi que de nouvelles observations de terrain par les collaborateurs en Floride.
Obj 4
La plupart des expériences seront menées dans des conditions de laboratoire, car les observations sur le terrain se sont avérées peu concluantes (voir objectif 3). Une chambre d'observation a été équipée d'un éclairage LED pour mieux imiter les conditions de lumière naturelle comme le crépuscule et l'aube et permettre des expériences sur les interactions entre insectes et plantes. Les résultats de ces expériences de laboratoire pourraient donner lieu à des expériences de terrain supplémentaires du partenaire allemand à un moment ultérieur.

Publications
1. Lefouili and Nam, 2022, Scientific Reports, doi: 10.1038/s41598-022-15563-2
2. Durand et al, 2022, Incipient speciation between host plant strains in the fall armyworm, BMC Evol. Biol. doi.org/10.1186/s12862-022-02008-7
3. Fiteni et al, BMC Evol Biol (under revision, submission ID : 7208a84f-e220-455c-8ecf-173a47388180)
4. Haenniger et al, in prep
Communications
1. E.d’Alençon. Invited speaker at the 53rd Annual Meeting of the Society for Invertebrate Pathology (SIP), 28th June -2nd July 2021 “Know your enemy: Integrative study of plasticity, adaptive evolution and speciation in the Fall armyworm”
2. K. Nam, EKC, 21st-July-2022, The process of biological invasion in the fall armyworm,
3. E.d’Alençon, the 11th workshop on Molecular Biology and Genetics of the Lepidoptera, 21-27 August 2022, Kolympari, Crete. Centromeres, transposable elements, piRNAs and heterochromatin in Spodoptera frugiperda
4. S. Hanniger. the 11th workshop on Molecular Biology and Genetics of the Lepidoptera, 21-27 August 2022, Kolympari, Crete. The genetics of timing differentiation

La spéciation est le processus évolutif par lequel de nouvelles espèces biologiques apparaissent. Il y a eu une acceptation croissante des modèles de spéciation sympatrique, où l'isolement reproductif et l'incompatibilité entre les populations évoluent face au flux génétique; Pourtant, la documentation de ce processus reste difficile, car la réduction du flux génétique résulte très probablement d'une combinaison de facteurs. Les barrières reproductives peuvent être initiées soit par une sélection divergente (c'est-à-dire une sélection `` écologique '' ou sexuelle qui crée un isolement reproducteur extrinsèque) soit par l'évolution - par dérive génétique, comme conséquence indirecte de la sélection, ou par conflit génomique - d'incompatibilités génétiques qui causent l'isolement reproductif intrinsèque.
Le projet vise à déchiffrer les facteurs en jeu dans la divergence des deux souches sympatriques de la légionnaire d'automne (FAW, Spodoptera frugiperda). Ce papillon nocturne est un ravageur agricole important qui s'est propagé sur le globe au cours des trois dernières années. Il s'agit d'un organisme modèle idéal pour étudier différentes barrières d'isolement chez les espèces naissantes. Bien que morphologiquement indiscernables, les deux souches peuvent être différenciées sur la base des haplotypes d'ADN mitochondrial (ADNmt), et elles présentent un certain nombre de différences génétiques et phénotypiques qui peuvent fonctionner comme des barrières reproductives pré ou post zygotiques. Elles sont nommées variants « maïs » et variants « riz » en fonction de leurs préférences pour différentes gammes de plantes hôtes.
Les objectifs du projet sont:
1) Identifier sans ambiguïté et caractériser les loci divergents entre les souches
En utilisant une nouvelle approche de la génomique des populations, tous les loci divergents entre la souche seront identifiés et classés en fonction leur contribution à la spéciation entre l'isolement prézygotique (timing de l’accouplement, choix de la plante pour l’oviposition, composition des phéromones, frigidité hybride femelle) et l'isolement post-zygotique (préférence ou performance larvaire, fertilité hybride femelle), et ils seront caractérisés fonctionnellement par édition de génome.
2) Etudier l'origine de l'isolement reproductif post-zygotique dans les populations invasives
Les données préliminaires des populations invasives en Afrique montrent des différences de fitness en fonction des plantes hôtes, maïs et riz, illustrant leur potentiel adaptatif dans les zones envahies, nous analyserons leur différenciation génomique.
3) Étudier la base génétique de la préférence pour différentes gammes de plante hôte
La préférence pour différentes gammes de plante dans l'aire de distribution d'origine résulte probablement d'un choix de ponte différent ou de différences dans la qualité des œufs. Nous déterminerons la base génétique de ces caractères par GWAS sur le terrain.
4) Déterminer les causes ultimes de la différenciation temporelle spécifique à la souche
Les souches diffèrent par leur accouplement la nuit. Nous testerons expérimentalement si ces différences peuvent être liées à la variation des facteurs biotiques liés à différents habitats, par exemple les parasitoïdes ou la présence de prédateurs ou les rythmes de défense des plantes.
Ce projet offre l'opportunité unique de réaliser une telle étude intégrative basée sur la combinaison de différentes approches, l'étude des phénotypes in natura et génétique classique en Allemagne et la génétique inverse et génomique fonctionnelle en France. Cette étude intégrative, en permettant de clarifier le statut évolutif des populations natives des variants maïs et riz, est une condition préalable pour comprendre le succès des populations invasives dans leur nouvel environnement. La question du succès de cette espèce de ravageur hautement polyphage dans de nouveaux habitats à travers le monde est l'un des impacts socio-économiques élevés.